单元机组协调控制系统设计
单元机组协调控制系统(二)
什么是BI/BD？
►当机组风、煤、水附属系统异常，不能按运 行人员或ADS负荷要求调整出力时， BI/BD 回路使负荷指令处理回路不接受运行人员或 ADS负荷指令增/减信号，只允许负荷单方向 变化。
引起BI/BD的原因
►第一类原因：运行中可能存在一类导致机组 实际负荷加减受到限制，但又暂时不能直接 识别的故障。如：燃烧器喷嘴堵，风机挡板 卡等。
基本工作原理
工作方式： 正常；BI/BD；RD/RUP,保持
负荷变化率限制回路
►将负荷指令运算回路来的阶跃指令加工为斜 坡信号。
►依据： Min{机组允许的最大负荷变化率,运行人员设定
的最大负荷变化率}
最大/最小负荷限制回路
►正常工况，根据机组允许的负荷上限和运行 人员设定的负荷上、下限，对负荷斜坡信号 进行限幅加工。
实现BI/BD的方案
BD
T1
>
BI
T2
<
RUP/RD回路
►什么是RUP/RD ？ ►引起RUP/RD的原因 ►RUP/RD的动作判断逻辑 ►实现RUP/RD的方案 ►RD/RUP的工作过程 ►RUP/RD和BI/BD的比较
什么是RD/RUP？
►当机组附属系统出现故障，不能满足机组负 荷要求时， RD/RUP回路使负荷指令自动减/ 增，与机组附属系统的出力能力一致。
A ALR指令
0% A
T
f(x)
Δf
Δf
一）负荷指令运算回路
构成： ►负荷指令选择回路； ►调频回路 作用： ►选择目标负荷的形成方式； ►对机组的调频范围及调频幅度作出规定。
基本工作原理
► 工作方式：手动、自动、跟踪；调频，不调频。 ► 手动：ALR,运行人员就地给出负荷目标值； ► 自动：AGC,由ADS提供负荷目标值； ► 跟踪：无输出，回路跟踪修正出力指令（负荷给定
单元机组协调控制系统
进 汽 量
制 系 统
单
元 机
锅炉
汽轮机、发电机
组
图单1元3－机1 单组元协机调组控协制调系控制统系统的组成
三、机组负荷控制系统被控对象动态特性
单元机组
TD
汽轮机控制系统 μT
GNT(s)
+ PE
+
GPT(s)
BD
μB
锅炉控制系统
GNB(s) GPB(s)
+
pT +
图13－2 负荷被控对象方框图 GNT(s)——汽轮机调门开度μT对机组输出电功率PE的传递函数 GPT(s) ——汽轮机调门开度μT对主蒸汽压力pT 的传递函数 GNB(s) ——燃烧率μB对机组输出电功率PE的传递函数 GPB(s) ——燃烧率μB对主蒸汽压力pT的传递函数
单元机组协调控制系统
（1）最大可能出力值的计算 当锅炉和汽轮发电机组运行正常时，机组的最
大可能出力值与主要辅机的切投状况直接有关， 主要辅机跳闸或切除，最大可能出力值就会减小。 因此机组的最大可能出力由投入运行的主要辅机 的台数确定。应随时计算最大可能出力值，并将 它作为机组实际负荷指令的上限。
机组的主要辅机设备有风机（送、引风机）、 给水泵（电动、汽动给水泵）、锅炉循环水泵， 空气预热器以及汽轮机或电气侧设备等。因此， 负荷返回RB的主要类型包括送风机RB、引风机 RB、一次风机RB、给水泵RB、磨煤机RB等。
单元机组协调控制系统
二、 单元机组协调控制系统基本组成
ADS指令
电网频率
值班员指令
外部负荷指令
协
调
控
制 级
主蒸汽压力给定值po
主蒸汽压力pT
负荷指令处理回路
火电厂单元机组的协调控制系统
单元机组和控制系统的关系
在单元机组的运行过程中，引起被调量 （如主蒸汽压力、温度）变化的原因是各 种扰动，而控制系统的任务则是要克服扰 动对被调量的影响，使被调量始终保持在 生产过程允许或希望的范围内。 最主要的扰动——外界电负荷的变化。
单元机组协调控制系统的发展
机炉协调的负荷控制方式
把之前两种方式结合起来，取长补短 所引起的压力变化比主汽压力下降后在增大锅炉功率（BF 方式）所引起的压力变化小得多。由于功率调节信号是同 时作用于汽轮机和和锅炉的，所以它比TF方式有更快的功 率响应。 这种锅炉蓄热的合理利用与及时补偿的协调方式，使得单 元机组实际输出功率既能迅速响应给定功率的变化又能保 持主汽压力的相对稳定。
汽轮机跟随的负荷控制方式
由汽轮机控制主汽压力，由锅炉控制机组负荷。 该方式的主汽压力变化较小，对锅炉的稳定有利，但是由于锅炉燃料 量输送及传热过程有较大滞后，使得机组输出功率响应有较大滞后， 调频能力差。 适用情况： a.承担基本负荷的单元机组。 b.当新机组刚刚投入运行，经验还不足时，采用这种方式可使机组 运行比较稳定。 c.当单元机组中汽轮机运行正常，机组输出功率受到锅炉限制时。
机组负荷管理控制中心（LMCC）
又称 机组负荷指令处理装置 负荷控制中心是用来协调机组内、外矛盾，也就是协 调供与求的矛盾
机炉主控制器
机炉主控器协调的是机和炉的内部矛盾
机炉子控制系统
直接与控制对象相联系，执行协调级的指令，使燃烧量、 送风量、给水量、蒸汽流量等与负荷控制指令相适应，实现 负荷控制的任务
。
• 机发 机组
全 依 变 锅
• 发 主 的 蒸 两 率 对 象 功 制 出 控 组 输 组 机 元 机
机组协调控制系统(CCS)
三、协调控制系统的作用
协调控制系统由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两大部分组成，它们各自 的作用分别介绍如下： １、负荷指令处理回路的作用 负荷指令处理回路的作用 （1）负荷指令处理回路接受的外部指令是电网调度所的负荷分配指令、机组运行人 员改变负荷的指令、电网频率自动调整的指令。根据机组运行状态和电网对机 组的要求，选择其中一种指令或两种以上指令。 （2）限制负荷指令的变化率和起始变化幅度。
（３）限制机组最高和最低负荷。 （４）甩负荷保护。 （５）根据机组的辅机运行状态，选择不同的运行工况。 ２、机炉主控制回路的作用 机炉主控制回路的作用 （１）接受经过处理的负荷指令P0，对锅炉调节系统和汽机调节系统发出协调的指挥 信号－－锅炉指令PB和汽机指令PV。 （２）根据机组输出功率与负荷要求之间的偏差，决定不同的运行方式。
S 由上式可见，汽机控制回路功率给定值P0的反馈信号是p1，因p1对汽机调节阀开度的 响应比实发功率灵敏得多。故汽机调节阀能迅速而平稳地响应功率给定值的变化。
(1 + S )P0 − Kp1 + K p 1 (P0 − PE ) = 0
锅炉燃烧指令PM为：
1 p p PM = 1 + 1 S 1 + K ( p 0 − pT ) p T pT S 燃烧率指令的前馈信号是能量平衡信号p1 / pT ，式中微分项在动态过程中加强燃 烧指令，以补偿机炉之间对负荷要求响应速度的差异。由于要求动态补偿的能量不仅 与负荷变化率成正比，而且与负荷水平成正比，所以微分项要求乘以p1 / pT 值，汽压 偏差积分项保证了稳态时能消除压力偏差。 能量平衡信号与功率给定信号性质不同。后者仅表示电网对机组的负荷要求，前 者反映了汽机对锅炉的能量要求，这就为机炉之间动态过程中协调控制两个控制回路 的工作提供了一个比较直接的能量平衡信号。与指令信号间接平衡的协调系统相比， 锅炉控制回路的前馈信号无论是动态还是静态的精度都比较高，整定也比较方便。 通过上述分析介绍，我们不难看出，采用以锅炉跟随为基础的能量直接平衡协调 控制系统，在快速适应负荷要求，以及克服系统内部扰动方面，都有比较大的优势， 是目前诸多协调控制方案中较好的一种。
200MW单元机组协调控制设计
引言近年来，随着大型发电机组的的日益增多，大容量机组的汽机和锅炉都是采用单元制热力系统。
机、电、炉控制设备都放在单元控制室中，可以说，单元制运行方式简化了热力系统，使蒸汽经过中间再热处理成为可能，提高了机组的热效率。
随着电网容量的增大和对供电质量要求的提高，现代大型单元机组的负荷控制系统无一例外地采用了协调控制系统。
单机元组是由发电机、汽轮机和锅炉组成，共同配合工作来适应电网的负荷要求，并且共同保持机组的稳定运行，不能将汽轮机和锅炉的负荷控制任务分割开来讨论。
大型的机组都是以锅炉、汽轮机组成单元机组方式运行，机、炉之间相互联系紧密，成为一个不可分割的整体，因此，必须将二者作为一个联合的条件对象进行控制，又由于外部负荷变化时，机、炉的动态响应特性差别比较大，控制系统应该考虑两者的特点做适当地分工协调，以提高机组适应负荷变化和保持内部能量平衡的能力，所以协调控制就成为必然的趋势，协调控制系统的控制策略设计直接决定了协调控制系统的调试及控制品质。
单元机组是一个复杂的多变量强耦合控制对象，存在着大滞后、多扰动、时变等特性。
强烈的耦合给系统的控制带来较大的难度，一般通过设计补偿网络来消除和削弱这种相互的关联和耦合，把多变量控制问题转化为多个单变量控制问题来处理。
但是在具体实现时，也会遇到许多的困难，很难做到理想的解耦。
因此，有必要对解耦的理论方法加以必要的改进与简化。
多变量频域理论中的串联补偿法就是一种合理的W成为对角阵实现了各被调量解耦方法，该方法通过补偿网络的串联，使等效对象e的单变量控制。
在实际生产过程中，主要扰动常来自某一方面，对于这类生产过程被控对象，若采用单向解耦，不仅可以大量减少补偿装置，简化系统结构，同时也能取得更好的调节效果。
因此，针对单元机组通过解耦设计来实现协调控制具有重要现实意义。
第一章控制系统概述在生产和科学技术的发展过程中，自动控制起着重要的作用，目前已广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设。
第二章 单元机组协调控制系统
采取的办法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位臵， 而是留出一定的调节余地。当外界负荷需求变更时，首先 通过调整汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，利用锅炉 内部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的需求。与此同时， 调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷需求 达到新的平衡。调节汽门的调节余地也为机组参与电网一 次调频创造了条件。
North China Electric Power University
第二章 单元机组协调控制系统
§2-1
概
述
2
North China Electric Power sity
第二章 单元机组协调控制系统
一、协调控制的基本概念
从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系 统控制问题的基本策略。 所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组 成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复 杂系统控制问题的基本方法就是分解——协调的方 法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便 进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优 解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各 子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统 一，进而得到整个大系统的最优解。
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第二章 单元机组协调控制系统
单元机组协调控制系统框图
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第二章 单元机组协调控制系统
单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶 控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元 机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部 控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制 系统，汽轮机功率/ 频率调节系统，以及直流锅炉 的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉 控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的 控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制 任务。
单元机组协调控制系统(一)
CCS: co-ordinate controபைடு நூலகம் system
机组监视参 值班员负荷指令 数、保护
协调控制系统
电网 负荷 要求
电网
炉
汽机
发电机
什么是协调控制系统？
什么是协调控制系统？
► 在机组、电网之间维持能量供求平衡的控制
系统； ► 在机组内部锅炉、汽轮机之间维持能量供求 平衡的控制系统。
1)
► 实现负荷调节方式的控制系统就是协调控制
系统。CCS
三） CCS概述
► 1）CCS的功能和任务 ► 2）CCS的基本组成及相互关系 ► 3）协调控制系统内的信号处理过程
1）CCS的功能和任务
功率调节器+压力调节器
输入：电网负荷指令和值班员负荷指令（通常 为阶跃信号信号）以及机组保护对机组负荷的 要求|功率实测值；主汽压力设定值|实测值。 输出：汽轮机出力给定值（至DEH）和锅炉 的燃烧率给定值（至燃料调节器，引、送风 调节器，给水调节器）。
机组监视参 值班员负荷指令 数、保护 电网 负荷 调度 负荷控制系统
煤、油、风、水主控等
电网
DEH
炉
汽机
发电机
协调控制系统由负荷控制系统与局部控制系统构成
CCS的基本组成
► 负荷控制系统（主控系统） ► 局部控制系统（DEH；FSSS，煤，风，水）
2）CCS的基本组成及相互关系
协 调 控 制 系 统
差，正的压力偏差又使调门关小。最终结果： 调门开大受到抑制。前期，机组能利用锅炉 蓄热增强负荷响应能力，后期蓄热利用完毕 （汽压下降），主汽压信号抑制调门过调， 确保汽压波动幅度不过大。
炉侧特点：
单元机组协调控制系统一课件
目录
PART 01
单元机组协调控制系统的 概述
定义与特点
定义
单元机组协调控制系统是一种用于协 调控制单元机组多个设备的自动化系 统，通过优化机组运行参数，实现安 全、高效、经济运行。
特点
单元机组协调控制系统具有自动化程 度高、控制精度高、响应速度快、稳 定性好等特点，能够提高机组的整体 性能和运行效率。
协调控制系统的基本组成
协调控制系统主要由指令输入装置、控制器、执行器和反馈装置等组成。
指令输入装置用于接收外部输入的指令信号，控制器根据指令信号和系 统状态计算控制信号，执行器根据控制信号调节单元机组的运行参数。
反馈装置用于实时监测单元机组的运行状态，将监测数据反馈给控制器， 以便控制器进行实时调整。
PART 02
单元机组协调控制系统的 基本原理
单元机组的工作原理
单元机组是一种将多种能源转化为电能的装置，由燃烧系统、汽水系统和控制系统 等组成。
单元机组通过燃烧系统将燃料转化为蒸汽，蒸汽通过汽水系统驱动汽轮机转动，进 而发电。
单元机组的运行状态和效率受到多种因素的影响，如燃料品质、蒸汽参数、负荷变 化等。
具体策略包括
优化控制算法、改进系统结构、 提高传感器和执行器的性能等。
系统改进的方法与步骤
• 方法：根据系统优化的目标和策略，选择合适的方法进行 改进。
系统改进的方法与步骤
步骤 1. 对现有系统进行深入分析，了解其优点和不足。
2. 根据分析结果，制定具体的改进方案。
系统改进的方法与步骤
3. 对改进方案进行仿 真和实验验证，确保 其可行性和有效性。
PART 06
单元机组协调控制系统的 应用案例
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单元机组协调控制系统设计摘要在单元制机组的不断发展，协调控制系统作为单元制机组的控制核心，已然成为电厂自动化系统中最为关键的组成单元。
随着机组类型的不同，各个机组的参数也越来越高，容量也在逐渐增进，机组的动态特征和控制难度也随机组型号的不同而改动，因此不同机组的协调控制系统也是不同的。
所以在设计协调控制系统时，应该综合考虑所研究机组的动态特征和生产流程，针对不同类型机组的进行相应的方略。
在火电厂现场中，单元机组协调控制系统是一个具有强耦合、大时滞、大迟延、非线性等特征的一个多变量系统。
所以，这些复杂的动态特征，使得创建单元机组的非线性动态模型成为一个难点，而且使协调控制及其参数整定变得复杂起来，往往使调节品质下降，不能得到令人中意的控制品质。
本文首先阐述了单元机组协调控制系统的结构和功能，并对机组的动态特征和负荷指令管理系统进行了描述。
然后以一个300MW机组为研究对象，由分析得出该机组的模型结构，再对辨识出的协调系统的对象进行静态解耦控制，用工程正定法对解耦控制器参数进行整定，并用Matlab软件做了系统仿真。
仿真结果表明，解耦后的协调控制系统可以达到令人满意的控制品质和效果。
关键词：协调控制；解耦控制；Matlab仿真；PID整定；300MW机组Design of Coordinated Control Systemfor UnitAbstractIn the continuous development of unit system, coordinated control system as a unit system control core, has become the power plant automation system, the most critical component. With the different types of units, the parameters of each unit are getting higher and higher, the capacity is gradually increasing, the dynamic characteristics of the unit and the difficulty of control are also different types of change, so different units of the coordinated control system is different. Therefore, in the design of coordinated control system, should consider the selected units of the dynamic characteristics and process, for different types of units for the corresponding design. In the field of thermal power plant, the unit control system is a multivariable system with strong coupling, time variability, large delay and non-linearity. Therefore, these complex dynamic characteristics make the nonlinear dynamic model of the unit unit become a difficult point, and make the coordination control and its parameter setting become complicated, and the adjustment quality is often reduced, and the satisfactory control effect can not be obtained.In this paper, the structure and function of the unit control system are described, and the dynamic characteristics and load command management system of the unit are described. Then, a 300MW unit is taken as the object of study, and the model structure of the unit is obtained. The decoupling control of the identified coordinate system is carried out. The parameters of the decoupling controller are set by engineering positive definite method. Software to do the system simulation. The simulation results show that the coordinated control system can achieve satisfactory control quality and effect.Keywords:Coordination control system；Decoupling control；Matlab simulation；PID tuning ;300MW unit目录摘要 (1)Abstract (2)第1章绪论 (4)1.1 研究背景 (4)1.1.1 单元机组的现状和发展 (4)1.1.2 协调控制系统及其任务 (5)1.1.3协调控制系统的优化 (5)1.2 课题的内容 (6)1.3 本章小结 (7)第二章协调控制系统分析和研究 (8)2.1 单元机组协调控制系统 (8)2.1.1 协调控制系统的组成 (8)2.1.2负荷指令处理回路（LDC）及其主要功能 (9)2.1.3机炉主控制器 (9)2.2单元机组的控制方式 (9)2.2.1锅炉追踪方式 (9)2.2.2汽机追踪方式 (10)2.2.3机炉协调方式 (11)2.3单元制机组负荷控制的特点 (12)2.4协调控制系统的动态特性 (13)2.4本章小结 (15)第三章单元机组协调控制系统数学模型的创建及解耦 (16)3.1 数学模型的建立 (16)3.2 多变量控制系统解耦 (16)3.2.1 前馈设计补偿器 (17)3.2.2 反馈设计补偿器 (18)3.2.3 对角矩阵解耦法 (18)3.2.4 单位矩阵解耦法 (19)3.3 协调系统仿真 (20)3.3.1被控对象的动态特征仿真试验 (20)3.3.2 控制器参数优化仿真 (25)3.4本章小结 (27)第四章结论 (28)第1章绪论1.1 研究背景1.1.1 单元机组的现状和发展从上个世纪90年代起，我国电力行业的研究深入度过了一个漫长的阶段。
由于国家的经济和整体实力的迅猛成长和壮大，电力产业也跟着壮大了起来。
火力发电厂是我国乃至在世界上都算核心的能源工业之一，在我国电力工业中更是盘踞了主要地位。
我国近期将以200MW和300MW的机组为骨干机组，并逐步发展为600MW的机组。
大型火电机组在世界上进步的势头十分快，因为它的生产量多、投资的花费少、自动控制的程度也高。
大型火力发电机组是经典的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大又复杂的设备群。
由于其设备浩繁，管道纵横交错，生产流程复杂，甚至有上千万参数需要辨识、操纵和控制。
所以，维持一个机组能够合理运转，还要要求它的经济效益必须高并且产能品质高，那么，将计算机和电厂的运行绑在一起发展，目前，大型机组对于自动控制这一块儿特别看重。
一方面，是发电机组愈来愈多，还因为需求量的突飞猛进，导致机组的容量愈来愈大。
另一方面，由于汽轮机和锅炉这两个被控对象的物理属性以及生产流程和动态特征区别很大。
大型单元机组是一个锅炉和一个汽轮机的相对独立的单元，因为也带来它自己的特殊性；首先，锅炉和汽轮机作为蒸汽的供需两方，需要保持一定的均衡，否则就破坏了正常的运转[20]。
因此，想要处理既能维持主汽压的在一定范围内的波动值很小，又能提高机组跟踪外界的变化的能力，这两个问题中相互存在的矛盾，所以，常见的机跟炉或者炉跟机跟随方式是走不通的。
所以，在设计自动控制使，应把机炉作为一个全部统筹考虑，这就是所谓“协调控制”。
而且大型单元机组在运转时需要辨识和调节的参数很多，所以要使这个机组正常运转，对自动化程度的要求相当高。
简而言之，协调系统作为发电厂在最复杂和最中心的控制系统，就像大脑作为人体的最关键的部位一样，它的主要目标是单位效率的自动控制，有必要确保障单位输出功率快速满足外部负载要求，就像大脑提供指令让手足协调，还要尽快提供单位能量，以单位输出负荷适应，保持出口主蒸压的稳定，犹如身体整个的平衡。
如果必须使协调系统达到更好的控制要求，就像人体维持一个循环的状态，肢体，器官，大脑都得发挥做用，所以锅炉、汽机、辅机的安全运转状况和控制系统的卓越性都是必须的，还要适应在各种各样的条件和环境下，都必须能够安全可靠的一个运行的协调系统。
1.1.2 协调控制系统及其任务单元机组的协调控制系统（Coordinated Control Syestem ，CCS ）就是根据单元机组负荷控制的特点，为了处理负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的控制系统，也就是单元机组负荷控制系统。
在单元机组运转方式中，它是把锅炉和汽轮机作为一个全部进行控制，既要共同快速满足外界发电负荷的要求，同时又要保证机组安全经济的运转（主要反映在主蒸汽压力上）。
所以机组的输出功率E P 和主蒸汽压力T p 是单元机组负荷控制的两个主要参数。
分析被控对象的动态特征可知，锅炉惯性大、响应慢；而汽轮机响应快，如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。
而汽轮机调节阀门开度的举动，可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能，使输出功率有较快的响应。
因此为了升高机组的响应性能并且在保证安全运转的条件下，充分利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机调门的适当举动，允许压力有一定的波动，既释放或利用了蓄能，又加速了机组初期负荷的响应速度；与此同时，根据外部负荷指令请求，加强对锅炉侧燃烧率的控制，及时复原蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致，就是协调控制的基本原则。